A múlt apró időkapszulákba zárt vulkánkitörései

Mindaddig, amíg az olvadék a föld mélyén jelen van, folyamatos a kristályosodás

Hogyan határozható meg a kőzetekbe zárt földtörténeti események kora? Erre az izgalmas kérdésre az atomi világ mikrokozmoszának kutatása hozta el a választ. 

A kérdésre adandó választ az atomok világa hordozza

Az MTA-ELTE Vulkanológiai Kutatócsoportnak két jelentős tanulmánya jelent meg, amelyek közös vonása, hogy régmúlt vulkánkitörések idejét határozták meg, és ezek alapján vontak le következtetéseket. Hogyan lehet meghatározni a földtörténeti múlt eseményeinek idejét? Mindez igen izgalmas kérdés, és számtalan más tudományterülethez ad nélkülözhetetlen adatokat.

A szerző (a képen középen állva) a Csomád vulkáni rétegsorát vizsgálja Forrás: Harangi Szabolcs

A kormeghatározás fizikai háttere a radioaktív bomlás folyamata, amit bő egy évszázada fedeztek fel.

Nem sokkal a radioaktív bomlás felfedezése után már megindult az ezen alapuló módszer földtudományi alkalmazása is, először urántartalmú ásványok korát határozták meg.

Antoine Henri Becquerel, francia fizikus, a radioaktivitás felfedezője Forrás: Wikimedia Commons

Majd nem sokkal később a figyelem egy egyszerűnek tűnő kérdés megválaszolása felé fordult: milyen idős a Föld? Arthur Holmes könyve a Föld koráról forradalmi változást indított el, és kezdetben persze nem kevés felzúdulást, ellenállást, vitát váltott ki.

Egy kis geokronológiai alapvetés

A radioaktív bomlás elsősorban a nagy tömegszámú izotópok esetében lép fel, amikor egy elem neutronban viszonylag gazdag vagy szegény, ezért nem stabil izotópja (izotópnak nevezzük egy adott elem különböző neutronszámú, azaz tömegszámú atomjait) energiafelszabadulás közben bomlik és ennek során egy másik elem izotópja keletkezik.

A radioaktív bomlás időbeni lejátszódása állandó folyamat,

a felezési idő megadja, hogy mennyi idő alatt bomlik le a kezdetben jelenlévő összes radiogén atommag fele.

A földtörténeti múlt eseményeinek időbeli elhatárolását a fosszíliákon alapuló relatív, illetve a radiokatív bomlás törvényszerűségeit alkalmazó abszolút kormeghatározással végzik a földtudományok szakemberei Forrás: Mark Witton

A különböző radioaktív folyamatok (adott bomló izotóp és keletkező izotóp rendszerére vonatkoztatva) felezési ideje nagy pontossággal meghatározható, és ez adja alapját a kormeghatározásnak. A kormeghatározás, azaz egy földtörténeti múltbeli esemény idejének meghatározása (ezt geokronológiának nevezik) során nem időt mérünk,

hanem egy adott képződményben a radioaktívan bomló és a radioaktív bomlás során keletkező izotópok mennyiségét vizsgáljuk.

A vulkáni kőzetek a beléjük zárt kristályok miatt különösen alkalmasak az abszolút kormeghatározáshoz Forrás: Wikimedia Commons

A földtudományban olyan izotóppárokat használnak e célból, amelyek felezési ideje nagy

(jellemzően több százmillió év vagy ennél is nagyobb), azaz nem bomlott le még az összes instabil izotóp; mind a bomló, mind pedig a keletkező izotóp mennyisége mérhető nagyságban van; és nagy pontossággal ismert a felezési idő.

A földtudományban olyan izotóppárokat használnak a kormeghatározásra, amelyek felezési ideje nagy Forrás: Harangi Szabolcs

A különböző izotóppárok közül manapság a leggyakrabban az urán és tórium instabil izotópjait és a radioaktív bomlás során keletkező ólom izotópokat mérik, e mellett azonban még számos gyakran használt izotóprendszer létezik, mint például a kálium- és argon-izotóprendszer.

A vulkáni hamu alá temetett egykori növényzet tanúvallomást tesz

Ha a felezési idő kicsi, akkor időben csak korlátozottan tudunk „visszalátni",

azaz csak egy behatárolt földtörténeti korig tudjuk meghatározni valamely esemény bekövetkezésének idejét.

Ilyen rendszer például a szénizotópos módszer, ahol a radioaktívan bomló izotóp a szén 14 tömegszámú atomja. A felezési idő ebben az esetben 5730 év, ami azt jelenti, hogy legfeljebb 50 ezer évvel ezelőtti esemény korát tudjuk meghatározni.

A földtörténeti múlt eseményeinek abszolút kormeghatározását a kőzetekbe záródott izotópok, illetve a radioaktív bomlás törvényszerűségei alapján határozhatjuk meg Forrás: imgkid.com

Ugyanakkor, ez a kormeghatározás pontos adatot nyújt a „közelmúlt" olyan eseményeinek idejéről, amikor a nagy felezési idejű izotóprendszerek nem alkalmazhatók, mert még nem telt el annyi idő, hogy mérhető mennyiségű származék izotóp keletkezzen a lassú folyamat során. A szénizotópos kormeghatározáshoz azonban kell a szén, azaz a szerves anyag.

A vulkánkitörések során a légkörbe jutott irtózatos mennyiségű hamu által eltemetett növények maradványai ugyancsak alkalmas eszközei lehetnek a kormeghatározásnak Forrás: Origo

A vulkáni működések korát vagy a vulkáni képződménybe zárt, és a magas hőmérséklet miatt elszenesedett növénymaradványokon határozzák meg, vagy a vulkáni képződmény alatt lévő talajban található szerves anyagot használják fel erre.

Térségünk legutolsó vulkánkitöréseinek idejét szénizotópos módszerrel határoztuk meg.

A Csomád vulkáni tufájába ágyazódott megszenesedett famaradvány Forrás: Tűzhányóblog

Elsőként a japán Moriya és kutatótársai közöltek pontos szénizotópos koradatokat, majd Harangi Szabolcs Molnár Mihállyal és kutatótársaikkal együttműködve határozták meg a legfiatalabb kitörés korát a székelyföldi Csomád vulkáni képződményében talált szenesedett famaradványok elemzése során. Innen tudjuk, hogy az utolsó vulkáni működés a jelenlegi koradatok alapján 31 230 és 32 700 éve volt.

Radioaktív bomlás, mint a földtörténet zsebórája

Az 50 ezer évnél régebben történt vulkánkitörések esetében manapság a legelterjedtebben használt geokronológiai módszer a cirkonkristályokon végzett kormeghatározás. Miért pont a cirkon, ami egy cirkónium-szilikát ásvány, és első pillantásra nem látunk benne radioaktívan bomló izotópot?

Miért pont a cirkon? Forrás: Agates from Hungary

Az ásványok kristályrácsába a fő alkotókon kívül, elemhelyettesítéssel beépülhetnek nyomnyi mennyiségben idegen elemek is, ha azok ionjainak mérete és töltése közel van a fő komponenséhez.

Egykori bazaltvulkán tanúhegyek koszorúja a Balaton partján Forrás: Wikimedia Commons

A cirkon ásványban így a cirkóniumot helyettesíteni tudja a hafnium, továbbá az urán és tórium is. Az uránnak két radioaktívan bomló, instabil izotópja van, a 238 és 235 tömegszámú izotópok, míg a tórium izotópjai közül a 232 tömegszámú atom stabilizálódik radioaktív bomlással.

Érdekes módon mindhárom esetben a származék izotóp az ólom valamelyik tömegszámú atomja,

a 206, a 207, illetve a 208 tömegszámú izotóp. A radioaktív bomlás ezekben az esetekben nem egy egyszerű folyamat, hanem több lépcsőben megy végbe, és közben hélium (He) atommagok szabadulnak fel (ezt alfa-sugárzásnak nevezzük).

Forrás: bilimdili.com

A He atom 4 tömegszámú, azaz a teljes radioaktív bomlási folyamat során: 8, 7, illetve 6 He atom szabadul fel. Ezek a nagyon leegyszerűsített fizikai alapok, azonban hogyan lesz ebből egy régmúlt esemény idejének meghatározása? Mit kell a geokronológusnak tenni?

A cirkon ehhez ideális ásvány, mivel van benne mérhető mennyiségű urán,

így egységnyi idő elteltével a radioaktív bomlás során egyre több ólo izotóp (és héliumizotóp) keletkezik.

A radioaktív bomlás folyamatának vázlatos ábrája Forrás: The Worlds of David Darling

A modern analitikai műszerekkel már kis mennyiségben is nagy pontossággal mérhető az izotópok mennyisége vagy izotóparányok értéke. Sőt, most már ott tartunk, hogy lézersugár vagy ionsugár alkalmazásával nagyon kis mennyiségű anyagból is lehet izotópmeghatározást végezni. Ez pedig óriási előrelépést jelent.

Miért ideális időkapszula a crikonkristály?

A cirkonkristályok önmagukban is picinyek, méretük az emberi hajszál átmérőjéhez hasonló: általában 100-300 mikrométer (azaz 0,01-0,03 milliméter).

A műszeres technika ma már lehetővé teszi, hogy e piciny ásványokat lézeres vagy ionsugaras nyalábbal gerjesszük,

ezzel akár egy 30-40 mikrométer átmérőjű területről is tudunk elegendő anyagot a tömegspektrométerbe juttatni, ahol az izotópok mérése történik.

Cirkonkristály Forrás: Wikimedia Commons

Ez azt jelenti, hogy képesek vagyunk megmérni az ásvány középső és szélső részének is az izotóparányait, azaz meg tudjuk határozni a keletkezés korát. A kérdés azonban még mindig az, hogy miképpen jutunk el az izotópok mennyiségéből az időhöz? Az első lépést az jelenti, hogy össze kell gyűjteni e piciny kristályokat! A kőzeteket ehhez „porrá" kell törnünk, és a 100-300 mikrométer nagyságú szemcsék közül kell ki nyernünk a cirkonkristályokat.

A cirkon geokronológiai háttere Forrás: Tűzhányóblog

Ehhez megint jellemző fizikai tulajdonságokat kell segítségül hívni. A cirkonkristály sűrűsége viszonylag nagy, nagyobb, mint általában a kőzeteket alkotó ásványoké. A módszer lényege tehát, hogy sűrűség szerint választjuk szét az apró szemcséket, és a legnagyobb sűrűségű szemcsék közé várjuk a cirkonásványokat. Ez már igen nagy odafigyelést igénylő, több lépcsős, aprólékos munka, ami egyáltalán megalapozza azt, hogy méréseket végezzünk.

A vulkáni képződményből kinyert cirkonkristályokon történik az izotópmérés Forrás: Harangi Szabolcs

A vulkáni képződményből kinyert cirkonkristályokon történik az izotópmérés. Azonban mielőtt a drága műszerek drága mérési idejét használjuk, pontosan meg kell határozni, hogy mit szeretnénk tudni, egyáltalán minek az idejét szeretnénk meghatározni? Itt pedig nem kerülhetjük meg, hogy ismét ne kanyarodjunk vissza a fizikai alapokhoz.

A magma kihűlésével lefagy az idő is

Ahhoz, hogy az izotópok mennyiségéből, az adott izotóprendszerre jellemző felezési idő figyelembe vételével meg tudjuk határozni a jó keletkezési időt, fontos feltétel, hogy a keletkezés után az izotópok a kristályban maradjanak, azaz zárt maradjon a rendszer (azaz csak annyi származék izotóp legyen, ami a radioaktív bomlás során keletkezett és annyi instabil izotóp, ami a radioaktív bomlás után visszamaradt). Ez az állapot különböző izotópok, különböző ásványok esetében más és más hőmérséklet elérése után áll be.

Ez az állapot más és más hőmérsékleteken áll be, az olvadt kőzetanyag, a magma lehűlésének függvényében Forrás: Origo

Ezt a hőmérsékletet záródási hőmérsékletnek nevezzük. Ez pedig kulcspont a geokronológiában: a kormeghatározás során azt az időt határozzuk meg, amikor a kristály a záródási hőmérséklet alá hűlt (e hőmérséklet felett ugyanis az izotópok még nem kötődnek meg a kristályban, onnan eltávozhatnak, így mérésükkel nem tudjuk pontosan megmondani, mennyi keletkezett radioaktív bomlással). Az ásványok keletkezése magmás folyamat során a kőzetolvadékból való kristályosodással történik. A cirkonkristály akkor válik ki, ha a kőzetolvadékban a cirkónium mennyisége már olyan értéket ér el, hogy az olvadék „túltelítetté" válik ebben az elemben.

A cirkonkristály akkor válik ki, ha a kőzetolvadékban a cirkónium mennyisége már olyan értéket ér el, hogy az olvadék „túltelítetté" válik ebben az elemben Forrás:Smith College

Ez általában 800 Celsius fok alatt történik. A cirkon kristályban kb. 900 Celsius fok alatt már nem távoznak el az urán és az ólom izotópok, azaz a kristályosodás a záródási hőmérséklet alatt történik. Ez tehát azt jelenti, hogy a geokronológiai vizsgálattal a cirkonkristályosodás idejét határozhatjuk meg. Nem ez a helyzet a héliumizotóppal, ami csak 180 Celsius fok alatt marad benn a kristályban.

A vulkán kitörésekor a felszínre jutó 700 Celsius fokos magma viszonylag gyorsan kihűl Forrás: Wikimedia Commons

A magmakamrában lévő cirkonból kristályosodása után tehát folyamatosan távozik a radioaktív bomlás során keletkező He. Ahogy azonban vulkánkitörés indul, a 700 Celsius fok feletti hőmérsékletű magma a felszínre jutva gyorsan lehűl 180 Celsius fok alá. Ekkor tehát záródik már a hélium is, Amennyiben tehát megmérjük a cirkonkristályban lévő héliumizotópot és az uránizotópokat, akkor ki tudjuk számolni, hogy a vulkánkitörés óta mennyi idő telt el.

A kristályokba zárt évgyűrűk titkai

Kiszámolni, kiszámolni... akkor hogyan is határozzuk meg végül az időt? Az elkülönített cirkonkristályokat műgyantába tesszük, és addig polírozzuk, amíg feltárul a belsejük. Ha egy elektronmikroszonda-műszerrel elektronsugarat bocsátunk rá, akkor láthatjuk a belső felépítésüket:

úgy néznek ki, mint az elvágott fák belseje, az „évgyűrűk" ebben az esetben az eltérő környezetben képződött kristálynövekedést jelentik.

A cirkonkristályok geokronológiai vizsgálata különböző módszerekkel és adott izotóprendszerek különböző ásványokra vonatkoztatott záródási hőmérséklete alapján történik - a geokronológiában e hőmérséklet alá való hűlés idejét határozzuk meg Forrás: Tűzhányóblog

Az eltérő környezet (hőmérséklet, a magma komponensei és egyéb tényezők) különböző kémiai összetételű zónákat hoz létre a kristályon belül. A kormeghatározáshoz szükséges izotópok mennyiségét lézer-ablációs ICP-tömegspektrométerrel (ICP=indukciósan csatolt plazma) vagy ionszondával (ekkor oxigén ionsugárral gerjesztjük a mintát, a gerjesztett izotópok itt is tömegspektrométerbe jutnak) mérhetjük.

Az eltérő környezet, így különösen a hőmérséklet, a magma komponensei különböző kémiai összetételű zónákat hoz létre a kristályon belül Forrás: Tűzhányóblog

A mérés során az ólom- és uránizotópok arányát kapjuk meg.

A kapott adatok értékelése aztán még egy hosszú folyamat:

ismernünk kell a műszer fizikai és kémiai működését, az eredményeket már ismert izotóp-összetételű mintákkal (sztenderdek) kell összevetnünk, és meg kell vizsgálnunk, hogy a kapott adatok alapján valóban fennállhatott-e a zárt rendszer..

Hosszú számolás követi a laboratóriumi méréseket

A izotóparányokból a felezési idő segítségével, a radioaktív folyamat matematikai egyenletét felhasználva számíthatjuk ki végül a kort, amikor a kristály keletkezett. Így kapunk egy adatsort, mondjuk egyetlen mintából 20-50 egyedi cirkonkristályból nyert mérési eredményeket, különböző korokat.

Forrás: Pinterest

A héliummérés esetében egy teljes cirkonkristály héliumizotóp tartalmát mérjük meg, majd egy másik műszerrel az urán és tórium koncentrációját.

A kapott adatokat felhasználva következik a számolás, hogy mindez a radioaktív bomlási folyamat során mennyi idő alatt állhatott elő.

Ez egyszerűen hangzik, de mindkét mérés után még hosszadalmas számolások következnek, míg végül eljutunk az áhított végeredményhez, egy korhoz, amit szakmailag értelmeznünk kell.

A Balaton-felvidék egyik leghíresebb bazaltformációja, a Hegyestű ugyanakkor keletkezett, mint a Tapolcai-medence tanúhegyei. A geokronológiát egyre inkább önálló tudományként ismerik el Forrás: Wikimedia Commons

A geokronológia tehát nemcsak egy egyszerű időt meghatározó, adatközlő tevékenység, hanem egyre inkább olyan önálló tudomány, ahol a mérésnek és az azt követő számolásoknak mind nagy szerepe van. Elengedhetetlen, hogy a geokronológus által értelmezett kort, aztán be is lehessen helyezni egy valamikori történet rekonstruálásába.

Akár több százezer évig is szunnyadhat egy vulkán

Összefoglalva, az urán- és az ólomizotópok mérésével a cirkonkristályok keletkezési idejét,

az urán- és a héliumizotópok mérésével a vulkánkitörés idejét határozhatjuk meg.

Persze, önként adódhat a kérdés: miért, ez időben nem ugyanaz, ezek nem egymással szoros és időben közeli folyamatok? Nos, az elmúlt évtized kutatási eredményei világosan rámutatnak, hogy nem, ráadásul ez a két időpont fontos új információt ad.

A vulkáni kőzetekben a kristályok megjelenése, valamint kémiai összetétele alapján fedik fel a kutatók, hogy mi történt a magmakamrában, mi előzte meg és indította el a vulkáni kitöréseket, és mindez mennyi idő alatt mehetett végbe Forrás: Harangi Szabolcs

Különböző vulkáni rendszerek esetében ugyanis azt találjuk, hogy a cirkonkristályok keletkezési ideje meglehetősen eltér egymástól, mondhatjuk azt is, hogy szinte mindegyik cirkonkristály máskor keletkezett. Ha ezek időtartamát elemezzük, akkor arra következtethetünk, hogy meddig van olyan állapot a földkéregben, hogy cirkonkristályok válhassanak ki, azaz meddig tart, hogy olvadék van jelen a földkéregben, amiben kristályosodás történhet.

Mindaddig, amíg az olvadék a föld mélyén jelen van, folyamatos a kristályosodás Forrás: Citizenside/(c) copyright citizenside.com/Citizenside/Vincenzo Barbagallo

Még egyszerűbben választ kaphatunk arra , hogy milyen hosszan áll fenn a magmakamra.

Az eredmény első pillanatra meghökkentő,

mivel rendkívül hosszú ez az idő, akár több tíz-, sőt több százezer év is lehet a vulkánkitörés előtt. Ezek a geokronológiai vizsgálatok tehát felfedték, hogy a vulkánok alatti magmakamra hosszú időn át aktív lehet még olyankor is, amikor éppen nem működik a tűzhányó, történhet benne kristályosodás.

Egy piciny ásvány, a cirkon nagy felbontású vizsgálatával rekonstruálták a kitörések idejét és azt, hogy a vulkán korábban akár 40 ezer évig is szunnyadhatott. Továbbá, a cirkon elemzése alapján arra is következtettek, hogy a magmakamra akár 350 ezer éve fennállhat Forrás: Harangi Szabolcs

Vulkánkitörés akkor történik, ha a magmatározóban lévő magma kitörésre képes, azaz fizikailag a felszínre tud nyomulni,

áttörve a felette lévő több kilométer vastag kőzettestet. A Csomád esetében például kimutattuk, hogy az utolsó vulkánkitörés előtt legalább 300 ezer évig létezett az a magmatározó, amiből végül a magma elindult a felszín felé és vulkánkitörést okozott.

A Kárpát-medencében utoljára kitört vulkán, az erdélyi Csomád Forrás: Picasa

Ez azonban csak egy kis része a magmatározóban lévő magmának. Még mindig van jócskán, amiből adott esetben egy újabb magmacsomag nyomulhat felfelé és okozhat vulkánkitörést. Amíg a földkéregben van olvadéktartalmú magma, addig ez a lehetőség is fennáll De ez már egy következő történet.

(A szerző az MTA doktora, geológus, vulkanológus, az ELTE Kőzettani-Geokémiai Tanszék tanszékvezető egyetemi tanára)